不同品种水稻籽粒对土壤镉砷硒吸收积累的差异

欧昱贵

（华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642）

在工农业快速发展背景下，我国土壤环境污染范围逐渐扩大，污染程度越来越高，污染物含量与种类也不断加大，已经严重威胁到了我国的可持续发展。环境污染问题长期以来一直是世界性的问题，特别是在工业化和城市化高度发展的当今社会，环境污染问题日益突出，其中最为严重的当属土壤重金属污染问题。水稻是世界第二大、我国第一大粮食作物，也是最容易吸收和积累重金属的大宗粮食作物之一。水稻糙米对土壤重金属的吸收与品种有关，而不是一个对所有品种一成不变的固定值，尤其水稻对镉的积累和耐性具有明显的品种间差异，因此，筛选水稻糙米镉含量低的品种，能有效解决镉污染稻田水稻安全生产问题。研究表明， Se具有提高人体免疫力、抗衰老、预防癌变等功能，而缺Se会导致克山病、大骨节病等疾病，影响人体健康。最近一项对世界稻米Se含量的普查结果表明， 绝大多数稻米Se的含量低于人体的营养需求。本试验拟通过对17个不同水稻品种的研究，在大田开展相应的田间测试，基于两片污染程度不一样的地块，观察水稻的生长情况及其积累Cd、As、Se的表现，讨论此次试验的成果，筛选出稳定的低镉低砷，同时积累土壤硒能力较强的水稻品种，为保障粮食安全和合理修复土壤污染的措施提供相关技术建议。

1.材料与方法

1.1 研究区域概况

大田试验位于广东省韶关市曲江区樟市镇。本次实验种植条件为酸性红壤，常年高温多雨，适宜水稻的种植，另外，粤北地区偏向于重工业经济体系，土壤重金属污染程度偏高。试验选取两处镉污染程度不一样的地块进行试验，其土壤理化性质见表1。

表1 试验地土壤的基本理化性质

1.2 供试水稻品种

供试水稻品种由广东省农业科学研究院和韶关市曲江区农科所提供，共17个。17个水稻品种处理分别为1-17，如表2所示。

表2 供试水稻品种一览

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计

试验在两个试验大田，分别为镉轻度污染的土壤和镉重度污染的土壤（以下称镉轻度和镉重度），设置17个处理（17个品种），3个重复，小区面积3平方米。于2017年3月1日播种，3月30日移栽，7月10日收割，其中水分管理和施肥用量按照当地常规的种植习惯实行。收获时，每小区分别收割后取一公斤稻谷装于网袋中，晒干，用SATAKA-THU35C 型砻谷机脱壳得到糙米，将糙米用TYSP-100型不锈钢粉碎机粉碎，过0.25 mm尼龙筛，以备测定样品元素含量。

1.3.2 土壤和稻米测定方法

土壤pH的测定采用土壤酸碱度计（ZD-05）进行测量；土壤有机质的测定采用土壤有机质测定方法标准（GB9834-88）；土壤碱解氮的测定采用碱解扩散法；土壤速效磷的测定采用0.5mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；土壤全Cd和全Pb的测定采用盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸消解，镉采用原子吸收分光光度计测定；土壤全As的测定采用硝酸-硫酸消解，全As采用原子吸收分光光度计测定。以上方法主要参考《土壤农化分析（第三版）》（鲍士旦，2000）。

本次水稻籽粒样品Cd、总As分析测定参照《食品安全国家标准食品中多元素的测定》（GB 5009.268-2016），稻谷Se的测定参考中华人民国和国国家标准（GB/T 5009.93-2010）。

2.结果与分析

2.1 不同镉污染程度水稻籽粒镉、砷、硒的积累

轻度污染地块的水稻镉砷硒含量如表3所示。由方差分析得出，在镉轻度污染地块种植条件下，水稻籽粒的Cd含量在不同品种间存在明显的差异性，As和Se的含量并无明显差异性；其中水稻籽粒的镉含量为0.20~0.36mg/kg，平均值为0.28mg/kg，13号粤齐新占镉含量显著高于其他品种，为0.36mg/kg；含量最低的是7号五广占，为0.2mg/kg，且只有7号五广占符合国家标准（0.20 mg·kg-1，GB2762-2017）。

水稻As含量为0.15~0.21mg/kg，平均值为0.18mg/kg。其中，马坝 银占品种的As含量最高，达到0.21mg/kg，其次是黄华占、五山丝苗、双黄丝苗、兆香占1号，达到0.20mg/kg，As含量最低的是粤齐新占，水稻As含量为0.15mg/kg。最高最低差异仅为0.06mg/kg，17个品种水稻之间显著性差异不明显。

水稻Se含量为0.022~0.031mg/kg，平均值为0.027mg/kg。其中，黄华占品种的Se含量最高，达到0.031mg/kg，其次是五山丝苗，达到0.030mg/kg，Se含量最低的是粤齐新占，水稻Se含量为0.022mg/kg。最高最低差异仅为0.009mg/kg，17个品种水稻之间差异不显著。

表3 轻度污染条件下不同品种水稻的镉砷硒含量

注：图中数据为3次重复数据的平均值±标准误，显著性差异用One-Way ANOVA Duncan 多重比较（P<0.05），图中横坐标所示的1~17号分别为：黄华占、美香占、五山丝苗、黄广油占、黄丝莉占、黄广华占1号、五广占、双黄丝苗、黄软广占、粤晶丝苗2号、粤农丝苗、粤禾丝苗、粤齐新占、马坝新银占、科龙、马坝 银占、兆香占1号。

重度污染地块水稻镉砷硒含量如表4所示。不同品种水稻Cd含量为0.83~1.03mg/kg，平均值为0.92mg/kg，均超过国家食品安全限量标准（0.2mg/kg）。其中，兆香占1号品种的Cd含量最高，达到1.03mg/kg，其次是科龙，达到1.02mg/kg，Cd含量最低的是五广占，水稻Cd含量为0.83mg/kg。最高最低差异仅为0.2mg/kg，17个品种水稻之间无显著性差异。

水稻As含量为0.18~0.25mg/kg，平均值为0.21mg/kg。其中，粤农丝苗品种的As含量最高，达到0.25mg/kg，其次是马坝新银占，达到0.24mg/kg，As含量最低的是黄广华占1号和粤齐新占，水稻As含量为0.18mg/kg。最高最低差异仅为0.07mg/kg，17个品种水稻之间显著性差异较明显。

水稻Se含量为0.030~0.048mg/kg，平均值为0.037mg/kg。其中，马坝 银占品种的Se含量最高，达到0.048mg/kg，其次是黄广华占1号，达到0.047mg/kg，Se含量最低的是五山丝苗，水稻Se含量为0.030mg/kg。最高最低差异为0.018mg/kg，17个品种水稻之间差异不显著。

表4 重度污染条件下不同品种水稻的镉砷硒含量

注：图中数据为3次重复数据的平均值±标准误，显著性差异用One-Way ANOVA Duncan 多重比较（P<0.05），图中横坐标所示的1~17号分别为：黄华占、美香占、五山丝苗、黄广油占、黄丝莉占、黄广华占1号、五广占、双黄丝苗、黄软广占、粤晶丝苗2号、粤农丝苗、粤禾丝苗、粤齐新占、马坝新银占、科龙、马坝 银占、兆香占1号。

2.2 不同水稻品种的重金属含量聚类分析

2.2.1 不同水稻品种镉含量聚类分析

由图1的聚类分析可以看出，轻度污染土壤17种水稻Cd含量可分为3类。第一类是黄软广占、粤晶丝苗2号、粤农丝苗、粤齐新占、马坝新银占、科龙、兆香占1号，Cd含量范围为0.30~0.36mg/kg，平均值为0.33mg/kg，Cd富集能力最强；第二类为黄华占、美香占、黄广油占、黄丝莉占、双黄丝苗、粤禾丝苗、马坝 银占，Cd含量范围为0.26~0.28mg/kg，平均值为0.27mg/kg，Cd富集能力较强；第三类是五山丝苗、黄广华占1号、五广占，Cd含量范围为0.20~0.21mg/kg，平均值为0.21mg/kg，Cd富集能力较弱。

图1 轻度污染土壤中不同品种水稻的Cd含量聚类分析

由图2的聚类分析可以看出，重度污染土壤17种水稻Cd含量可分为3类。第一类是黄华占、科龙、兆香占1号，Cd含量范围为1.00~1.03mg/kg，平均值为1.02mg/kg，Cd富集能力最强；第二类为五山丝苗、黄广油占、美香占、黄丝莉占、双黄丝苗、黄软广占、粤晶丝苗2号、粤农丝苗、粤齐新占、马坝新银占、马坝 银占，Cd含量范围为0.89~0.97mg/kg，平均值为0.92mg/kg，Cd富集能力较强；第三类是黄广华占1号、粤禾丝苗、五广占，Cd含量范围为0.83~0.86mg/kg，平均值为0.85mg/kg，Cd富集能力较弱。

图2 重度污染土壤中不同品种水稻的Cd含量聚类分析

2.2.2 不同水稻品种砷含量聚类分析

由图3的聚类分析可以看出，轻度污染土壤17种水稻As含量可分为3类。第一类是黄华占、美香占、五山丝苗、黄广油占、双黄丝苗、马坝 银占、兆香占1号，As含量范围为0.19~0.21mg/kg，As富集能力最强；第二类为黄广华占1号、粤农丝苗、粤禾丝苗、马坝新银占、科龙，As含量范围为0.17~0.18mg/kg，As富集能力较强；第三类是五广占、黄软广占、粤晶丝苗2号、粤齐新占，As含量范围为0.15~0.16mg/kg，As富集能力较弱。

图3 轻度污染土壤中不同品种水稻的As含量聚类分析

由图4的聚类分析可以看出，重度污染土壤17种水稻As含量可分为3类。第一类是粤农丝苗、马坝新银占，As含量范围为0.24~0.25mg/kg，As富集能力最强；第二类为黄广油占、五广占、双黄丝苗、粤晶丝苗2号、科龙、马坝 银占，As含量范围为0.21~0.23mg/kg，As富集能力较强；第三类是黄华占、美香占、五山丝苗、黄丝莉占、黄广华占1号、黄软广占、粤禾丝苗、粤齐新占、兆香占1号，As含量范围为0.18~0.20mg/kg，As富集能力较弱。

图4 重度污染土壤中不同品种水稻的As含量聚类分析

2.3 不同品种水稻镉、砷、硒含量的相关性分析

对不同品种水稻的糙米中的镉、砷、硒元素含量进行相关分析，结果如表5、表6所示，轻度污染土壤下的稻米镉与砷、硒的相关性均不显著，砷与硒的相关性也不显著。重度污染土壤下下的水稻糙米镉、砷、硒之间的相关性均不显著。

表5 轻度污染土壤不同品种水稻Cd、As、Se含量的相关性分析

表6 重度污染土壤不同品种水稻Cd、As、Se含量的相关性分析

3.讨论

与常规的修复植物不同，水稻是我国主要的粮食产物，筛选出低积累的水稻品种，为解决粮食安全提供相应的技术建议。目前，品种间的差异是影响水稻积累重金属的主要因素之一，不同品种水稻的籽粒对重金属的吸收积累的差异已经有不少的报道。林小兵等通过南方129个水稻品种为研究对象，对籽粒中的重金属进行测定，结果表明水稻对重金属的吸收积累受遗传背景、品种类型、重金属互作的影响较大。江川、殷敬峰等研究发现重金属在水稻中的积累差异与水稻的基因型、水稻品种有关。同时，在酸性条件下，质地粘重的土壤对稻米镉富集系数影响较大。

本研究试验中，重金属污染对稻米的影响最大的是Cd，而对总As和Se的影响较小。稻米镉含量在轻度污染下和重度污染下分别为0.20~0.36mg/kg和0.83~1.03mg/kg，稻米镉含量随着土壤中的镉浓度的提高而增加，这与彭鸥等发现籽粒镉含量随着营养液中镉浓度的提高而提高是一致的，因此，降低土壤中重金属浓是降低农产品污染的必要措施之一。目前，尚未有明确标准以区分低富集品种水稻。富集系数是植物吸收重金属能力强弱的一个指标，薛涛等通过田间实验发现长两优772、长两优1419为适合推广的低积累水稻品种。田美玲等认为五优9708和Y两优1号对重金属的积累性最低， 推荐这两个水稻品种为适应于粤北地区的重金属低积累水稻品种。另外，王科等用不同的水稻土发现稻米镉的富集系数为0.267~0.848。本试验的17个水稻品种中，有且只有五广占在轻度污染的种植条件下符合食品安全国家标准（GB 2762—2017，≤0.2 mg/kg），而赵扬的报道中，五广占的富集系数为1.12，比本试验中的五广占的富集系数高一倍，可能与土壤中重金属的活性、农艺措施以及气候条件有关。根据聚类分析和富集系数结果可知，五广占和黄广华占1号属于低镉低砷品种，具有镉砷同步低积累的特性，可优先种植在当地轻中度污染农田中，保障粮食安全的问题。

我国是一个缺硒的大国，发展富硒农产品既能满足全民补硒的需求，又能促进农业相关产业的发展。关于筛选低镉富硒水稻的报道很多，且大多数是通过室内盆栽进行试验，而缺乏大田试验条件下水稻镉砷硒的研究。根据《GB/T 22499—2008富硒稻谷》规定中富硒稻谷硒含量为0.04～0.30mg/kg，本研究供试的水稻品种在轻度镉污染的条件下，其硒含量均未达到富硒大米的水平，而在镉重度污染的条件下，黄广华占1号和马坝 银占硒含量达到富硒水平。黄太庆认为喷施含硒叶面肥可以达到富硒降镉的效果，其最大降镉效果达到70%。因此黄广华占1号和马坝 银占可作为低镉富硒品种优先考虑种植在中度污染的地块中，配合使用含硒叶面阻隔剂，对提高当地水稻品质和保障粮食安全最关重要。

植物体内各元素之间存在着不同的相互关系，王小玲等认为镉与砷之间呈显著负相关，表现为拮抗关系；胡莹研究表明砷硒的能力具有交互拮抗作用。大量研究发现，硒能减少植物对镉的吸收，与镉产生拮抗效应。从对植物生理和生长的影响而言，适量的硒可以缓解镉胁迫引起的氧化应激反应，减少镉的积累，但过量的硒有可能进一步加重镉的毒害效应。本研究的17个稻米品种（系）在不同土壤中的镉与砷、硒的拮抗和协同关系，但均达不到显著性相关水平，可能是因为试验条件不同，植物根系的活性以及土壤中的有效态的活性是植物吸收积累形成差异的因素，具体有待进一步的考究。以上的研究表明，筛选数据的差异很大，本次试验是基于韶关曲江区水稻一个生长周期，受气候环境和田间管理措施的影响较大，同时本次试验筛选的水稻品种范围有限，对于筛选出的水稻品种其稳定性仍需要深入验证，因此应加强低积累富硒水稻品种的筛选和验证，增加室内盆栽试验，为筛选过程提供更全面的数据和技术支持。

4.结论

（1）17个水稻品种籽粒在镉轻度污染土壤中镉砷硒的含量分别为0.20~0.36mg/kg、0.15~0.21mg/kg和0.022~0.031mg/kg；在重度污染土壤中分别为：0.83~1.03mg/kg、0.18~0.25、和 0.030~0.048mg/kg。

（2）镉重度污染土壤水稻镉含量相较于镉轻度污染明显增加，但对砷、硒的含量并无显著性影响；水稻镉、砷、硒之间有协同和拮抗关系，但均达不到显著性相关水平。

（3）五广占和黄广华占1号可作为低镉低砷水稻品种，黄广华占1号可作为低镉富硒水稻品种。